The Sleep Connectome

Fuente: Por Andreashorn (Trabajo propio) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], a través de Wikimedia Commons

Los avances en la neurociencia a menudo surgen cuando se desarrollan nuevos métodos para analizar y visualizar la anatomía y la función del sistema nervioso. Por ejemplo, el campo emergente de la neurociencia fue muy avanzado por el desarrollo y uso de manchas que permitieron visualizar neuronas individuales en el sistema nervioso. Esto, a su vez, hizo posible comenzar a comprender estos componentes fundamentales de las redes neuronales. El estudio de los efectos cognitivos, motores y emocionales de diversos insultos al cerebro y al sistema nervioso, como lesiones en la cabeza, enfermedades como la esclerosis múltiple y el daño debido a accidentes cerebrovasculares fue avanzado mediante el uso de pruebas neuropsicológicas que ayudaron a identificar y cuantificar los efectos de estas lesiones El desarrollo del electroencefalograma (EEG) en la década de 1920 ayudó a los científicos y médicos a comprender mejor la actividad eléctrica de la corteza cerebral. Esto condujo a avances en el diagnóstico de trastornos cerebrales como la epilepsia. Desde la década de 1970, se han realizado esfuerzos para utilizar los patrones de EEG para comprender las interconexiones de los centros neuronales en la corteza utilizando un método denominado Electroencefalografía Cuantitativa (QEEG). El desarrollo de tomografía computarizada, resonancia magnética, resonancia magnética funcional y otras técnicas de imágenes en las últimas décadas ha contribuido en gran medida a la comprensión cada vez mayor de la función del sistema nervioso al permitir la visualización de estructuras cerebrales en organismos vivos y al mostrar las actividades funcionales de estos centros Usando estos métodos, es posible crear mapas cerebrales que relacionen la anatomía y la función.

Lo que ha surgido de esta investigación es que el poder del cerebro no reside en los centros neuronales individuales sino en la actividad sincronizada de estos centros. Los sistemas de neuronas realizan las tareas subyacentes que luego se coordinan y dan lugar a la cognición, la emoción y el comportamiento.

En la primera parte del siglo pasado, se creía que el sueño se producía cuando la estimulación de los sentidos dejaba de fluir hacia la corteza cerebral. Esta visión del sueño como un proceso pasivo parecía tener sentido ya que las personas y los animales generalmente necesitan estar seguros y relajados en un entorno de baja estimulación para conciliar fácilmente el sueño. La investigación que comenzó en la década de 1940 desafió gradualmente este modelo. Ahora se reconoce que el sueño es en realidad un proceso complejo y requiere muchos sistemas neuronales para lograrlo. No es pasivo, pero de hecho es un proceso muy activo y complejo. Que es tan complejo y debe estar tan finamente regulado significa que muchas cosas pueden salir mal, lo que da como resultado varios trastornos del sueño.

En la vida cotidiana hay tres estados de procesamiento mental que se producen con regularidad. Estos son vigilia, sueño profundo y sueño REM. El inicio del sueño se basa en la acumulación del impulso del sueño a lo largo del día y en los efectos reguladores del ritmo circadiano. La alteración entre el sueño profundo y el sueño REM está regulada por sistemas cerebrales complejos que trabajan para dar el equilibrio adecuado entre ellos y llevar a la restauración efectiva del sistema nervioso y el cuerpo para que la mente / cuerpo pueda operar a niveles óptimos durante el día.

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Dentro del cerebro hay vías que permiten la interacción y la coordinación de los sistemas neuronales en las partes frontal y posterior del cerebro, los hemisferios izquierdo y derecho, y los centros superiores e inferiores. Con el reconocimiento de la importancia de esta interacción, se han realizado esfuerzos cada vez mayores para rastrear los componentes funcionales y estructurales del cerebro. El poder del sistema nervioso reside en la coordinación compleja de las actividades de un gran número de neuronas individuales. Esta idea fue ampliamente revisada en la sección especial de la edición de noviembre de 2013 de la revista Science, titulada "El cerebro fuertemente conectado" (ver Markov et al, 2013; Park & ​​Friston, 2013; Stern, 2013; Turk-browne, 2013) . Ahora es posible rastrear la conectividad entre las neuronas y utilizar nuevas técnicas analíticas, como la teoría de redes, para comprender los mecanismos subyacentes de la estructura y la función en redes neuronales grandes. Estos métodos ayudan a comprender cómo es posible que una estructura fija como el cerebro pueda generar tanta diversidad funcional. Si bien el cerebro es una estructura fija, puede estar en diversos estados, como la vigilia y el sueño. Esto se debe a las formas variadas y complejas en que las vías neuronales subyacentes interactúan.

Connectomics se basa en avances recientes en el mapeo y análisis de redes neuronales. A menudo se compara con desarrollos en genómica. Un connectogram es una visualización gráfica de las conexiones entre las áreas del cerebro reveladas por MRI de difusión y analizadas con la teoría de grafos. Típicamente se representa como un círculo con interconexiones dibujadas entre áreas representativas en el círculo que denotan estructuras cerebrales. Es posible que haya visto estos diagramas circulares en artículos que muestran la fuerza de las relaciones entre varias áreas del cerebro. Un ejemplo reciente fue el hallazgo ampliamente divulgado de un estudio sobre los efectos de la psilocibina psicodélica sobre el funcionamiento cerebral (Petri et al, 2014). En resumen, el estudio encontró que la psilocibina causa un aumento y una integración diferente de ciertas áreas del cerebro en comparación con el estado no drogado. Esto ayuda a dar cuenta de los profundos estados mentales que este medicamento causa.

Un conectoma es un mapa de conexiones neuronales en el cerebro y muestra conexiones mapeadas en una representación del cerebro. Un ejemplo es la imagen en la parte superior de esta publicación. Una visualización como esta se produce con una imagen de tensor de difusión que utiliza imágenes de resonancia magnética funcional para identificar los tractos axónicos al observar la difusión de las moléculas de agua en estos tractos (Purves et al, 2012). Uno de los desafíos del uso de estos mapas es que cambian constantemente, según el estado y las experiencias del organismo. El conectoma de una persona que duerme en el sueño profundo será diferente del de un individuo alerta, centrado y despierto, ya que los sistemas neuronales subyacentes interactúan de diferentes maneras en función de estos diferentes estados. Los conectomas se han utilizado para investigar las diferencias entre los cerebros masculino y femenino, los rasgos humanos positivos y negativos, y actualmente se están investigando en un esfuerzo de investigación a gran escala conocido como el Proyecto Conectoma Humano que está siendo apoyado por los Institutos Nacionales de Salud.

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El trabajo reciente ha comenzado a mapear el conectoma del sueño (Vyazovskly, 2015), inicialmente mirando el sueño en los animales. Esto está ayudando a dilucidar aún más los complejos mecanismos que permiten transiciones suaves desde la vigilia hasta el sueño profundo y el sueño REM. También está ayudando a aumentar la comprensión de cómo se desarrolla el sueño temprano en la vida de los animales, comenzando antes del nacimiento. Por ejemplo, se ha encontrado una población específica de neuronas en el cerebro posterior que se desarrolla en las subpoblaciones de células que en última instancia contribuyen a los circuitos de vigilia / sueño (Hayashi, et al, 2015). Esto ocurre muy temprano en el desarrollo antes de que los estados de vigilia y sueño hayan surgido.

El Proyecto Conectoma Humano, al igual que el Proyecto del Genoma Humano anterior, promete aumentar enormemente nuestra comprensión de la estructura y función del cerebro. Estoy especialmente emocionado por la posibilidad de que nos ayude a comprender mejor las formas en que el cerebro produce y regula los estados de conciencia, como la vigilia y el sueño. Tal comprensión puede ayudar en el desarrollo de tratamientos más efectivos para los trastornos del sueño, ¡algo que apreciarán muchos de nuestros amigos con problemas de sueño!

Hayashi, Y., Kashiwagi, M., Yasuda, K., Ando, ​​R., Kanuka, M., Sakai, K., y Itohara, S. (2015). Las células de origen común en el desarrollo regulan el sueño REM / no REM y la vigilia en ratones. Science , 20 de noviembre de 2015, 350 (6263), 957 – 961.

Markov, NT, Ercsey-Ravasz, M., Van Essen, DC, Knoblauch, K. Toroczkal, Z., y Kennedy, H. (2013). Arquitecturas contracorriente cortical de alta densidad. Science , 1 de noviembre de 2013, 342 (6158), p. 578.

Park, HJ, y Friston, K. (2013). Redes cerebrales estructurales y funcionales: de las conexiones a la cognición. Science , 1 de noviembre de 2013, 342 (6158), p. 579.

Petri G, experto P, Turkheimer F, Carhart-Harris R, Nutt D, Hellyer PJ, Vaccarino F. (2014). Andamios homológicos de redes funcionales cerebrales. JR Soc. Interfaz 11 : 20140873. http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2014.0873

Purves, D., Augustine, GJ, Fitzpatrick, D., Hall, WC, LaMantia, AS, White, LE (Eds.). (2012) Neuroscience 5th Edition , Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Stern, P. (2013). Conexión, conexión, conexión …. Science , 1 de noviembre de 2013, 342 (6158), p. 577.

Turk-Browne, NB (2013). Interacciones funcionales como Big Data en el cerebro humano. Science , 1 de noviembre de 2013, 342 (6158), p. 580 – 584.

Vyazovskiy, VV (2015). Mapeo del nacimiento del sueño connectome. Science , 20 de noviembre de 2015, 350 (6263), p. 909 – 910.